荷載與服役環境作用下混凝土耐久性的研究和進展

姚 燕，王 玲，王振地，曹 銀，唐官保，杜 鵬，黃鵬飛

(中國建筑材料科學研究總院有限公司 綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024)

1 前 言

混凝土結構在全世界的土建工程中都占絕對主導地位，約為80%～90%，各種重要的基礎設施工程多為鋼筋混凝土結構。作為基礎設施建設不可或缺的工程材料，混凝土世界年產量近70億立方米，我國占世界總量的60%以上。混凝土材料耐久性是服役環境下混凝土結構壽命的保障，因耐久性不足帶來的龐大維修費用在世界范圍內都十分驚人[1, 2]。在混凝土耐久性劣化的眾多因素當中，凍融循環、氯鹽侵蝕和碳化作用是最普遍和最主要的因素[3, 4]，由此產生的耐久性問題占比超過80%。

由于絕大多數混凝土結構是在受荷狀態下服役的，現階段采用實驗室內的單一的環境因素條件下的耐久性試驗結果指導實際工程并未獲得滿意的效果。理論和試驗研究表明，忽略外部荷載作用，只考慮不持載時未損傷混凝土在單一環境因素下的劣化與實際情況存在很大差異[5-7]。近年來，越來越多的學者開始逐漸關注并重視機械荷載與環境因素耦合作用下的混凝土耐久性，并取得了一些研究成果[5-11]。然而，外部荷載對混凝土孔隙結構與介質傳輸性能的影響使得其劣化行為與機理更加復雜，如何預測和提升服役混凝土的結構耐久性，仍是國際工程界的一大難題。

本文分析了外部荷載對混凝土孔隙結構及介質傳輸性能的影響，重點針對荷載與凍融循環、氯鹽侵蝕和碳化3種典型服役環境的耦合作用，綜述了近年來國內外學者在荷載-凍融循環、荷載-氯鹽侵蝕和荷載-碳化耦合作用下混凝土耐久性方面的研究進展和現狀，介紹了荷載作用下混凝土耐久性評價方法和耦合作用下混凝土壽命預測方法最新研究進展，并指出了該領域后續的研究方向。

2 荷載作用下混凝土的孔隙結構與介質傳輸

硬化混凝土是一種多相多尺度的非均質多孔材料。環境因素條件下，外界侵蝕性介質以擴散、滲透、毛細吸附、遷移等不同形式侵入混凝土內部，發生各種物理與化學變化，造成混凝土劣化。外界侵蝕性介質侵入混凝土材料內部主要有連續傳輸、非連續傳輸和阻塞傳輸3種途徑[12]，如圖1所示。絕大多數介質是通過裂紋和孔隙組成的連續路徑進入混凝土內部的，因此荷載作用下混凝土的孔隙結構和滲透性的變化，是荷載與環境因素耦合作用下混凝土劣化較單一環境因素下更為復雜的主要原因。

圖1 水泥基材料中的3種傳輸路徑示意圖[12]Fig.1 Schematic of three transmission paths in cement-based materials [12]

2.1 孔隙與裂紋

圖2是壓應力比(與極限應力的百分比)與混凝土微裂紋擴展的關系示意圖[13]。在軸壓應力條件下，當壓應力比在30%以下時，混凝土中界面過渡區的原始缺陷和微裂紋保持穩定狀態，幾乎沒有擴展傾向，應力-應變曲線幾乎是直線(圖2中階段①)。當應力比超過30%時，界面過渡區中原始微裂紋發生變化，長度、寬度和數量隨著應力比的提高而增大，應力-應變曲線開始明顯偏離直線階段，直到50%的應力比之前，界面過渡區的微裂紋擴展仍然是穩態的，而混凝土基體新產生的微裂紋可以忽略(圖2中階段②)。在達到50%～60%壓應力比時，基體中開始產生裂紋，隨著應力比進一步提高，界面過渡區的原始微裂紋和新生微裂紋進一步擴展，導致應力-應變曲線明顯彎曲并趨于水平(圖2中階段③)。在應力比達到75%～80%時，應變能的釋放速率達到裂紋擴展所需的臨界水平，混凝土急劇變形直至破壞(圖2中階段④)。

圖2 壓應力水平與混凝土微裂紋擴展的關系示意圖[13]Fig.2 Schematic of relationship between crack propagation and compressive stress ratio[13]

混凝土在單軸受拉時，裂紋擴展方向與應力方向垂直，每條新裂紋的產生和擴散都減小了混凝土有效承載面積，從而導致臨界裂紋尖端應力增大。因此，拉伸荷載作用下混凝土微結構破壞對所施加應力大小的敏感程度要遠大于壓荷載的作用。

不同形式的荷載作用造成混凝土微結構發生不同程度的變化，可能引起裂紋的閉合、萌生與擴展。原始裂紋的閉合延緩外界介質的侵入，而微裂紋的相互交錯會使孔隙曲折度降低、連通度增大，加速外界侵蝕性介質侵入。典型的侵蝕性介質(如氯離子、CO2、水等)在混凝土中傳輸行為的變化直接影響混凝土在氯鹽侵蝕、碳化或凍融循環等環境因素條件下的耐久性。以荷載-凍融循環耦合作用為例，研究表明[14-21]，凍結過程中隨著溫度的降低，混凝土孔隙水結冰量增加，結冰膨脹導致微裂紋萌生與擴展、孔隙連通度增加；融解過程中，孔隙連通導致孔隙內相對濕度和飽水度增大。凍融循環過程中，孔隙水在水、冰兩相之間重復變化(圖3)，導致微裂紋擴展，混凝土出現明顯內部損傷，外部荷載使得這種損傷加劇，基體產生的不可恢復變形緩慢增加。經多次凍融循環，飽水度持續增大，不可恢復變形急速增加，直至混凝土材料完全破壞。

圖3 凍融過程中冰的形成與融化過程[19]Fig.3 Actions of ice formation and melting during freeze-thaw cycles[19]

2.2 介質傳輸

一般情況下服役混凝土是帶裂紋工作的，外界荷載通過改變混凝土材料的微結構而影響介質傳輸性能。不同荷載形式下，混凝土內部孔隙結構變化不同，一般用滲透性來表征混凝土材料抵抗外界侵蝕性介質的能力。

圖4和圖5為典型研究中壓應力和拉應力對混凝土滲透性影響的結果[22-28]。可以看出，壓應力作用下，不同介質在混凝土中的滲透行為大致可以分為兩個階段：第一階段荷載的施加一定程度上使得混凝土內孔隙閉合，混凝土基體變得更加密實，介質在其中的傳輸速率表現為不同程度的下降；第二階段則是當外加應力超過某特定范圍或者特定值(也被稱為臨界應力比)后，介質在其中的傳輸速率明顯增大，混凝土滲透性顯著增大。與軸向壓應力下的滲透性輕微下降不同，軸向拉應力下混凝土第一階段的介質傳輸能力隨著拉應力的增加而緩慢增大，達到臨界應力水平之前，介質的傳輸速度未明顯加快。第二階段的傳輸行為與壓應力下類似，超過臨界應力水平之后，介質的傳輸速度顯著增加。

圖4 壓應力對混凝土滲透性的影響[22-24]Fig.4 Influence of compressive stress on concrete permeability[22-24]

圖5 拉應力對混凝土滲透性的影響[25-28]Fig.5 Influence of tensile stress on concrete permeability[25-28]

圖6和圖7總結了文獻中壓應力和拉應力作用下混凝土滲透性顯著增大的臨界應力比[22-52]。壓應力作用下的臨界應力比分布在0.3～0.9范圍內，拉應力下臨界應力比相對集中分布在0.2～0.5范圍內，但也有學者獲得了0.9的高臨界應力比。

作為一種非均質準脆性材料，混凝土材料組成、滲透介質、試驗裝置與方法都會對滲透性測試結果造成影響，但以歸一化的應力比為自變量時，臨界應力比仍在如此寬的范圍內波動，進一步證明應力水平與傳輸性能并不存在直接對應關系，本質的原因應歸結于荷載對混凝土孔隙結構(孔隙率、孔隙曲折度和孔隙連通度等)與裂紋狀態(張開與閉合)的影響方面。因此，荷載與服役環境耦合作用下混凝土劣化行為與機理比單一環境因素作用更加復雜。

圖6 壓應力下混凝土滲透性改變的臨界應力比[22-24, 29-51]Fig.6 Critical stress ratio of permeability change of concrete under compressive stress[22-24, 29-51]

圖7 拉應力下混凝土滲透性改變的臨界應力比[25-28, 52]Fig.7 Critical stress ratio of permeability change of concrete under tensile stress[25-28, 52]

3 荷載作用下混凝土耐久性評價方法

現有的所有國家標準和國際標準中，均只單獨考慮了混凝土在不同單一環境下的耐久性。然而，試驗結果表明，荷載和環境因素的耦合作用會產生疊加效應，造成混凝土的破壞速度和程度遠大于單一作用，這是導致混凝土結構達不到設計服役壽命的重要原因之一[5-11]。因此，十分有必要建立荷載與環境因素耦合作用下的混凝土耐久性測試方法，為實際鋼筋混凝土結構的服役壽命預測提供依據。

考慮耦合作用下的耐久性已經成為共識，國內外學者在傳統試驗方法的基礎上開展了多種探索性嘗試，基本存在荷載與環境因素“先后作用”[36, 46, 51]和“同時作用”[6, 9, 11, 20, 21, 53]兩個學術流派，但二者的“同時作用”更符合工程實際。然而，“同時作用”在試驗設備與測試方法上存在諸多難點，一些傳統表征參數不適用。

下文重點針對荷載-凍融、荷載-氯鹽和荷載-碳化耦合作用，分析在測試設備、表征參數等方面存在的難點和問題，綜述近年來相關研究進展。

3.1 荷載和凍融耦合作用

3.1.1 難點和問題

荷載-氯鹽耦合作用下混凝土耐久性測試設備與評價方法研究存在的難點和問題主要表現在以下幾個方面：

(1)劇烈、頻繁溫變條件下加載設備若無應力補償，荷載損失較高。荷載-凍融循環耦合作用下混凝土耐久性測試設備需要在劇烈變溫、長期反復凍融條件下提供并保持穩定荷載。現有耦合試驗研究中常用的加載裝置主要有彈簧式加載[8, 9]、千斤頂式加載[53]等。這幾種傳統的加載裝置與混凝土試件之間均為剛性接觸，不同材料之間熱膨脹系數差異，以及凍融循環過程中由于混凝土試件表面剝落、內部孔隙水結冰膨脹-融解收縮等原因，都會在很大程度上影響施加荷載的穩定性，反復凍融過程中混凝土產生的內部損傷也會導致施加的外部荷載隨凍融循環而持續減小，甚至是迅速衰減。由于這幾種傳統加載裝置都沒有荷載監測和周期性補償，都不能完全保證凍融環境下荷載的精確施加和穩定保持。

(2)在表征參數方面，傳統方法僅能獲得質量損失、相對動彈性模量和強度等傳統參數，不能在線連續監測損傷參數，難以用于工程實際。現有的研究中通常采用質量損失率[8, 9, 54-57]、相對動彈性模量[8, 9, 54-57]、毛細吸水系數[54]、力學性能參數[56]等來表征混凝土在凍融循環作用下的表面剝落損傷和內部損傷，但這些參數均是周期性測試參數，無法實現在線連續測量，不能連續獲得混凝土劣化的全過程信息，可能丟失重要的性能演化臨界點。另外，質量損失只能反映凍融循環造成的表面剝落，相對動彈性模量、毛細吸水系數和強度只能間接表征凍融產生的裂紋擴展，不能反映溫濕度梯度、孔隙溶液相變、試件體積變形等信息，不足以全面評估荷載-凍融循環耦合作用下混凝土的耐久性；耦合作用下混凝土材料耐久性評價尚停留在利用傳統參數描述劣化行為階段，難以用于工程實際的在線連續監測與評價。

3.1.2 探索和成果

(1)測試設備與方法。中國建筑材料科學研究總院(CBMA)研究團隊很早便開始了應力作用下混凝土抗凍性測試設備的研發[53, 57]，發明了由液壓執行機構、荷載傳感器、程序控制和信號采集與反饋系統構成的閉環控制系統，實現施加荷載的在線監測和精確補償。液壓執行機構穩定施加外部荷載，荷載傳感器實時監測試件實際受力大小，當施加荷載發生變化時能夠自動啟動液壓執行機構進行補載，實現了在-30～25 ℃范圍內，26 ℃/h升降溫速率下外部荷載的精確施加和持續穩定保持。經過實踐過程中的多次更新換代，得到了荷載和凍融作用下混凝土耐久性的測試設備與方法[20, 53, 57]。

(2)表征參數及劣化規律。CBMA研究團隊[14-21, 53, 57, 58]在混凝土試件中預置多種傳感器，采用信號隔離技術，解決了長期劇烈溫變條件下凍融熱交換介質對弱電信號的干擾、多參數采集時的信號干擾問題，實現了多種信號的實時連續采集。利用連續采集的耦合作用下混凝土試件的應變、電阻率、相對濕度、溫度和荷載等參數，獲得了混凝土劣化的孔隙溶液結冰程度(電阻率表征)、裂紋萌生與擴展(應變和電阻率表征)、孔隙連通(電阻率表征)、飽水度增大(相對濕度和電阻率表征)等全過程信息[14-19]，并分析得出荷載-凍融循環協同作用下混凝土劣化規律[14-19]。結果表明，彎拉荷載-凍融耦合作用下，混凝土試件拉應力區和壓應力區均產生了不可逆的殘余應變，且隨著凍融循環次數的增加而增大；施加應力比越大，殘余應變越大(圖8)；外加荷載加劇受凍混凝土的損傷。殘余應變隨凍融循環次數的增加呈三段式發展(圖9)，分別為加速增長期、緩慢增長期和加劇破壞期[21]，可以通過連續監測荷載-凍融循環過程中混凝土的應變來獲取混凝土損傷演變信息。

圖8 荷載-凍融耦合作用下殘余應變的變化[21]Fig.8 Residual strain of concrete under combined freeze-thaw cycles and load[21]

圖9 荷載-凍融耦合作用下殘余應變演變規律[21]Fig.9 Residual strain evolution of concrete under combined freeze-thaw cycles and load[21]

3.2 荷載和氯鹽耦合作用

3.2.1 難點和問題

荷載-氯鹽耦合作用下混凝土耐久性測試設備與評價方法研究存在的難點和問題主要表現在以下幾個方面：

(1)受試件裝配方式的限制，拉伸試驗普遍存在試件受力偏心和端部應力集中問題，影響氯離子穩定擴散。國內外開展較多的是壓荷載-氯鹽耦合作用[33-38, 40, 42, 43, 50, 51]和彎曲荷載-氯鹽耦合作用[59-62]下混凝土的性能試驗研究，拉荷載-氯鹽耦合作用下的混凝土性能研究相對較少。這主要是由于缺乏能夠長期保證精確軸向拉應力和氯鹽侵蝕耦合作用的試驗裝置。由于混凝土材料的離散性以及試驗裝置的限制，軸拉試驗要完全避免偏心和端部應力集中非常困難，國內外至今尚未完全解決這一問題。現有的單軸拉伸試驗的試件裝配方法有粘接法、夾持法和內埋法3種。粘接法操作繁瑣、對粘接水平要求苛刻、試件極易從粘接面脫落，試驗成功率很低；夾持法和內埋法極易造成試件端部的應力集中，3種方法都不能有效解決偏心問題。

(2)采用浸泡實現氯離子自然擴散，易腐蝕加載裝置造成應力損失，且無氯鹽濃度的精確控制措施。現有的荷載-氯鹽侵蝕試驗[33-38, 40, 42, 43, 50, 51]常將加載裝置連帶試件整體浸泡入侵蝕溶液，長期浸泡容易導致裝置腐蝕造成應力損失；隨著氯鹽溶液不斷向混凝土內部傳輸以及長齡期試驗條件下的蒸發效應，氯鹽溶液濃度存在較大波動，無法實現應力場與氯離子濃度場的長期穩定。

(3)多采用電加速法測試氯離子擴散系數，與工程實際不符。測試方法方面，現有的研究[33, 34, 37, 42, 51]多采用電加速法測試氯離子擴散系數，與自然條件下的氯離子擴散存在較大差異，耦合作用下混凝土材料耐久性評價尚停留在利用電加速氯離子擴散系數描述劣化行為階段。

3.2.2 探索和成果

專利CN 101271103A[63]、CN 203191259U[64]和CN 102213660A[65]公開了拉應力與環境共同作用下混凝土多因素耐久性實驗裝置，采用不同的方法盡可能減小軸向偏心問題，但都沒有同時解決應力偏心、裝置腐蝕和氯鹽濃度不穩定等3個問題。

CBMA研究團隊[66-69]分別對加載裝置和拉伸試件進行了創新設計，有效解決了應力偏心難題：① 設計啞鈴型混凝土試件，并通過在端頭預埋錨固螺栓、增加試件過渡段等措施，減輕試件夾持部位的應力集中；② 設計帶上、下球鉸的加載裝置，通過球鉸的轉動，使啞鈴型試件在360°方向上具有自調節功能，防止偏心；③ 在立柱上粘貼應變片，隨時監測立柱的受力大小，及時微調保證立柱受力平衡，消除軸向偏心。此外，還創新性地設計了由外加溶液盒和溶液循環裝置組成的侵蝕介質控制系統，通過在試件受力均勻區域粘貼溶液盒的方式避免了侵蝕溶液與加載裝置直接接觸，消除了侵蝕介質對加載裝置的腐蝕，封閉的溶液循環系統可保證侵蝕溶液長期無蒸發和濃度恒定。另外，該控制系統中的侵蝕溶液種類、濃度范圍和流速可調，適應不同腐蝕環境下的混凝土耐久性測試與評價。最終，形成了荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土耐久性測試設備及方法[66]。該測試設備由加載裝置和侵蝕介質控制系統組成(圖10)，同時解決了耦合作用下試件軸向偏心影響氯離子穩定傳輸、氯離子擴散表面濃度不穩定和裝置易受腐蝕的問題[66, 67]。

圖10 荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土耐久性測試設備示意圖[66, 67]：(a)拉荷載-氯鹽侵蝕，(b)壓荷載-氯鹽侵蝕Fig.10 Schematic diagram of test equipment for concrete durability under combined mechanical load and chloride attack[66, 67]：(a) tension and chloride attack，(b) compression and chloride attack

基于上述研究，CBMA研究團隊向國際著名學術機構RILEM申請成立了“荷載與環境作用耦合作用下混凝土耐久性測試方法”技術委員會(RILEM TC-246 TDC)。筆者任技術委員會主席，組織來自亞、歐、非、大洋和南美洲的40余名國際著名混凝土科學家共同展開工作，開展了多輪次國際對比試驗，以驗證測試方法的復演性和科學性。期間，組織召開了12次會議，包括一次荷載-氯鹽耦合作用下混凝土耐久性研究國際研討會。經過多家單位的對比試驗，驗證了提出的荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土耐久性測試方法原理科學、操作性強，測試方法和結果能清晰反映外部荷載對混凝土中氯鹽傳輸的影響[70]，形成首個荷載與服役環境作用下混凝土耐久性測試方法國際標準[71]。

3.3 荷載和碳化耦合作用

3.3.1 難點和問題

荷載-碳化耦合作用下混凝土耐久性研究存在的難點和問題主要表現在以下幾個方面：

(1)不同CO2濃度下，混凝土碳化產物、碳化深度發展規律和破壞機理的差異以及與自然碳化的關聯性還未明確。目前，世界各國的加速碳化試驗標準中規定的CO2濃度不統一(如我國為20%，歐洲為2%)，不同加速碳化條件下的劣化進程與自然碳化條件下(0.035% CO2)的關聯性不明朗。

(2)荷載-碳化耦合作用下的混凝土耐久性測試設備還不完善。我國科研單位率先開始關注荷載作用下的混凝土碳化破壞，開展了相應研究，取得了一定的成果[72-79]。但在荷載和碳化耦合作用下的試驗設備中，同時實現荷載精確施加與穩定保持、CO2濃度和溫濕度高精度控制比較困難。

(3)由于混凝土的碳化進程是一個復雜的物理、化學過程，外部荷載的施加使碳化作用下的混凝土劣化機理更為復雜。耦合作用下碳化機理的分析通常沒有從荷載作用導致混凝土氣體滲透性變化入手，缺乏本質性的理論分析與研究。

3.3.2 探索和成果

目前國內外針對荷載作用下混凝土氣體滲透和碳化作用的研究還不多，主要的探索和成果體現以下在3個方面:

(1)荷載作用下混凝土氣體滲透性。從圖6中壓應力作用下混凝土滲透性研究結果來看，影響混凝土氣滲性的臨界壓應力比分布在0.4～0.9范圍內；由于拉應力試驗裝置的復雜性，拉應力作用下混凝土的氣滲性研究較少。CBMA研究團隊利用RILEM TC 246-TDC確定的軸壓和軸拉試驗架、英國女王大學Autoclam滲透性測試裝置[80, 81]，測試獲得了荷載作用下的混凝土氣體滲透系數，發現氣體滲透系數隨拉應力的增大而增大，氣滲系數與拉應力比近似呈指數關系；也證實了壓應力下混凝土氣體滲透系數隨壓應力增大均呈先減小后增大的趨勢，氣滲系數與壓應力比近似呈二次函數關系[82]。基于此，CBMA研究團隊還建立了基于荷載作用下氣滲系數的混凝土碳化深度預測模型，并在現有碳化模型的基礎上，探索形成了耦合作用下實際混凝土服役壽命可靠度計算模型。

(2)加速碳化與自然碳化相關性。針對國內外加速碳化試驗時使用的CO2濃度差異，CBMA團隊開展了不同CO2濃度下加速碳化試驗與自然碳化關系的對比研究[83, 84]。結果表明，與自然碳化相比，2%與20%的CO2濃度下加速碳化試驗明顯提高了混凝土碳化深度、完全碳化區碳化程度、碳酸鈣生成量與收縮，降低了孔隙率、平均孔徑和氫氧化鈣(CH)含量，20%濃度的改變幅度遠大于2%。與2% CO2加速碳化相比，20% CO2條件下混凝土早齡期碳化速度過快，碳化產物的生成會快速降低混凝土孔隙率，導致碳化系數隨著時間的增長而降低。2% CO2濃度下碳化產物以方解石和文石為主，20% CO2濃度下碳化產物以方解石和球霰石為主[83]。

(3)荷載作用下混凝土碳化試驗設備及碳化規律。CBMA團隊研究突破了低CO2濃度高精度控制和大容積試驗箱內加速循環技術難題，利用RILEM TC 246-TDC確定的軸壓和軸拉試驗架[70, 71]，形成了一套完整的荷載與碳化耦合作用下混凝土耐久性測試設備與方法，獲得了拉、壓荷載對混凝土碳化深度、碳化系數的影響規律。荷載作用下，不同CO2濃度下混凝土碳化深度隨壓應力比的增大呈先減小后增大的趨勢，隨拉應力比的增大而增大；相同碳化齡期下，各應力比的混凝土碳化深度均隨CO2濃度的提高而增大。這些研究結論與Wittmann研究團隊[10, 72-74]得出的結論是一致的。Castel等[11]在研究荷載作用下混凝土的碳化行為時發現受拉區的混凝土界面過渡區處微裂紋增加，拉應力加劇了混凝土碳化速度，CBMA團隊的研究結果也證實了這一結論。

現有的國內外研究團隊并沒有得出統一的壓荷載下混凝土碳化深度曲線的臨界應力比[10, 11, 72-74, 76-79](見表1)，分析其原因，在于加載模具、加載與碳化同時或分別進行、碳化濃度控制等方面的差異，這也充分說明了建立統一的荷載-碳化耦合作用試驗方法的必要性。

2017年，新成立的RILEM TC 281-CCC技術委員會(含有輔助性膠凝材料混凝土的碳化)[84]下設WG4工作組，在2017～2021年間專題開展荷載作用下混凝土碳化的表征和試驗方法研究，CBMA研究團隊負責這個專題的組織工作，有望形成RILEM標準試驗方法。

表1 外加荷載對混凝土碳化性能的影響Table 1 Effect of external load on concrete carbonation

4 荷載與服役環境耦合作用下混凝土壽命預測方法

荷載與服役環境耦合作用下混凝土壽命預測方法可用于新建結構耐久性輔助設計，為混凝土結構安全運行提供保障，也可用于既有混凝土結構的安全性評估，為在役混凝土提供修復與維護決策建議。然而，現有的混凝土結構壽命預測模型與方法研究中，多考慮荷載或環境的單一作用，不符合實際服役條件，預測結果準確性較低。下文重點針對荷載-凍融和荷載-氯鹽耦合作用，分析在壽命預測模型與方法等方面存在的難點和問題，綜述近年來相關的研究進展。

4.1 荷載和凍融耦合作用

4.1.1 難點和問題

荷載-凍融耦合作用下混凝土壽命預測模型還存在如下難點和問題：

(1)模型的建立基于傳統間歇性測試參數，模型相互之間的關聯度較低，缺乏統一性、規范性[85]。凍融循環條件下混凝土損傷模型主要有質量衰減模型[86]、強度衰減模型[87, 88]、能量耗散模型[89, 90]、超聲波聲速變化規律模型[91]、相對動彈性模量衰減模型[92]、應變變化規律模型[93]等，一般采用李金玉等[94]建立的不同地區混凝土室內外凍融循環次數之間的關系來進行壽命預測。荷載-凍融耦合條件下的混凝土壽命預測模型研究相對較少[95-98]，選用最多的損傷表征參數是相對動彈性模量。由于相對動彈性模量測試屬于間歇性測試，無法實時監測。

(2)另外，該領域建立的現有壽命預測模型多基于凍融單一因素進行，未考慮荷載的影響，預測準確性較低。

4.1.2 探索和成果

CBMA團隊在總結現有模型[85]的基礎上，建立了首個凍融耐久性與壽命預測模型數據庫，以及基于殘余應變的荷載-凍融耦合作用下混凝土壽命預測模型(FCB模型)[21]。

將環境因素進行統一的力學等效轉化，凍結過程相當于拉應力加載過程，每個循環應變值達到最大時所受到的凍融作用力為最大凍融作用力。以工程中可連續監測的應變為特征參數，以殘余應變來反映耦合作用下混凝土的損傷與破壞，以第二階段殘余應變最大值εrm作為服役壽命極限狀態，彎曲荷載耦合作用下的混凝土構件εrm取受拉區的εTm。通過受力平衡和力矩平衡，經推導并修正后得到荷載-凍融耦合作用下混凝土壽命預測FCB模型(式(1))。結合快速凍融循環次數與自然凍融次數的內在關系(式(2))[94]，可得出混凝土實際使用壽命T。

(1)

T=kNF/M

(2)

式中，各參數物理意義及取值方法詳見文獻[21, 94]。模型考慮了荷載-凍融循環的耦合作用，以連續監測的應變為特征參數，預測結果更準確。

建立的FCB模型和方法在哈齊專線松花江特大橋項目、蕪湖長江公路二橋項目等工程中獲得驗證。預測得出的荷載-凍融作用下松花江特大橋混凝土連續梁的使用壽命為112年，滿足設計使用壽命100年；通過預測不同配合比的蕪湖長江公路二橋節段梁、塔柱混凝土在荷載-凍融作用下的使用壽命，對施工用節段梁、塔柱混凝土配合比進行了優化設計。

4.2 荷載和氯鹽耦合作用

4.2.1 難點和問題

針對氯鹽侵蝕條件下混凝土結構耐久性設計和壽命評價方法，國內外開展了大量研究。文獻對氯鹽侵蝕環境下的混凝土壽命預測模型進行了詳細的分析和綜述[99-101]。受測試設備與方法的限制，荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土壽命預測模型與方法研究相對較少。荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土壽命預測模型還存在如下難點和問題：① 壽命預測模型多未考慮外部荷載的影響；② 多采用確定性方法計算服役壽命，沒有考慮模型中各輸入參量(環境因素參量和材料特性參量)的不確定性，預測結果準確性低。

4.2.2 探索和成果

CBMA團隊在前人研究[99-106]的基礎上，基于Fick第二定律，以耦合作用下的氯離子擴散系數為特征參數，建立了基于可靠度的荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土結構壽命預測模型(RSC模型)(見式(3)～式(5))。

pf=p{Ccrit-C(x=c,t)<0}=Φ(-β)

(3)

(4)

(5)

式中各參數的物理意義及取值方法詳見文獻[67]。運用RSC模型進行壽命預測時，先利用研發的荷載-氯鹽侵蝕耦合作用下混凝土耐久性測試設備與方法[67, 70, 71]開展實驗室試驗得出D0、kL等參數，根據實際工程環境條件分析確定kT、kRH、Ccrit等參數，由工程技術文件確定c、C0等參數；再考慮各參數的概率特性，采用可靠度算法和Strurel軟件，由式(3)計算出可靠度指標β和失效概率pf隨時間的演變曲線，對于給定可靠度指標βtarget或失效概率ptarget，可直接得出混凝土結構服役壽命T。

RSC模型綜合考慮了混凝土結構服役條件下影響氯離子傳輸的各種因素，如外部荷載、環境溫度、濕度等，與混凝土結構實際服役條件一致。壽命預測方法采用了全概率方法和可靠度理論，消除了材料特性與環境參數的波動對壽命預測準確性的影響。該壽命預測方法在港珠澳大橋工程受壓承臺混凝土和受拉承臺后澆孔混凝土中獲得驗證，驗證結果與工程設計基本一致[67]。

5 結 語

多因素下的混凝土耐久性評價方法與壽命預測方法的研究非常必要，研究成果能更加精準地評價服役混凝土耐久性、預測混凝土工程服役壽命，對我國混凝土工程安全可靠運行和國民經濟建設具有重要意義。

通過發明荷載與典型服役環境下的混凝土耐久性測試設備與方法，建立荷載與典型服役環境下混凝土的耐久性評價技術與壽命預測方法，能解決單一耐久性加速破壞試驗無法準確反映實際服役混凝土耐久性的問題。為新建混凝土工程的配合比設計、制備與施工全過程提供指導，也可對現役混凝土工程的實際耐久性及安全服役年限進行評估與判斷，并提出修復與維護建議，為提升混凝土工程的綜合使用年限提供重要支持。這將大大減少因混凝土性能劣化而產生的建造及修復費用，為實現混凝土工程的綠色化、節能減排及可持續發展提供保障，可產生巨大的經濟和社會效益。

現有的研究成果提供了荷載-氯鹽、荷載-凍融、荷載-碳化耦合條件下較為全面及完善的檢測設備和技術，在混凝土耐久性和服役壽命評價技術上完成了從單一因素到耦合多因素的跨越。但還存在一定的局限性，主要體現為：

(1)服役環境和荷載類型存在一定的局限性。鋼筋混凝土結構所處的實際服役環境非常復雜，還有硫酸鹽侵蝕等其他服役環境因素；荷載類型方面，除了軸拉、軸壓及彎曲等靜態荷載外，在實際中還存在疲勞、沖擊等動態荷載類型。今后的重點研究方向在于擴大環境因素和荷載類型，需要在逐步闡明耦合作用機理的基礎上，開發不同環境因素與荷載作用下的混凝土耐久性測試設備和方法，探索耦合作用下的耐久性表征與評價參數。

(2)碳化反應生成CaCO3一定程度可填充裂紋縫，荷載作用又會導致裂紋的加速形成與擴展，二者同時作用下的混凝土破壞機理還值得進行更加深入的研究。